МПУЭВС. Лекции. Задания / pdf_ПрилПЦиПУ / Приложение_П_ВнешниеЗУ

1

Приложение П

Внешняя память МПС

П.1 Введение

Совершенствование средств вычислительной техники и повышение требований к объёму хранимых данных привело к ускоренному совершенствованию внешних устройств хранения информации - внешних запоминающих устройств (ВЗУ). Несмотря на огромные достижения в наращивании объёмов электронной памяти, ВЗУ не утратили своей

определяющей роли в составе ресурсов хранения информации. Специфика

носителей информации, ориентированных на длительное хранение,

технические показатели, структура, внутренняя архитектура ВЗУ,

накопленный опыт применения в составе процессорных комплексов позволяют рассматривать ВЗУ, как перспективный ресурс хранения

обеспечивать архивное хранение информации и вместе с тем согласованно взаимодействовать с его расширенной и основной памятью. Для этого в структуре ВЗУ присутствуют устройство управления, со спецификой средств

среда, а в широком смысле это подсистема внешней памяти с запоминающей средой, предназначенная для записи, воспроизведения, хранения и взаимного обмена информацией.

Показателями носителей информации ВЗУ являются: -информационная ёмкость; -доступность многократной перезаписи (реверсивность);

-доступность съёма носителя и многократность использования; -устойчивость к условиям эксплуатации и хранения.

2

Информационная ёмкость носителя определяется массогабаритными параметрами съёмного носителя и поверхностной, а, в перспективе, и

объёмной плотностью записи информации. Для плоских носителей

слои плёнок магнитных и оптических материалов на гибких и жёстких основаниях. Теоретическое значение плотности записи D для перспективных запоминающих сред оценивается на уровне 106 бит/мм2 для магнитной записи и 108 бит/мм2 для оптической записи. Ограничениями повышения плотности записи и воспроизведения информации являются вибрации механических транспортных узлов накопителей ВЗУ.

Различие скоростей генерации и передачи сигналов в электронных устройствах окружения ВЗУ и в электромеханических узлах собственно ВЗУ актуализировало проблему создания и совершенствования унифицированной системы связей между устройствами процессорного комплекса, называемой интерфейсом. Система этих связей направлена на достижение,

совместимости, взаимозаменяемости во взаимодействии средств ВЗУ,

различающихся внутренним устройством.

В основу функционирования всех вариантов реализации ВЗУ положены процессы взаимодействия пары узлов называемых «головка -

запоминающая среда». Под головкой понимается электромагнитный или оптический узел преобразования, который при записи управляется как исполнительный узел выдачи сигнала на запоминающую среду носителя информации, а при считывании состояния запоминающей среды является контролируемым датчиком. В одних устройствах запоминающая среда приводится в движение относительно головки одним транспортным механизмом, а головка позиционируется относительно запоминающей среды

3

носителя другим транспортным механизмом. В других устройствах запоминающая среда, как и головка, остаётся неподвижной, а направление потока воздействия на запоминающую среду модулируется для сканирования поверхности. Общность процессов взаимодействия объектов внутреннего состава ВЗУ и окружения отображается структурной схемой, показанной на рисунке П.1

Рисунок П.1- Структурная схема ВЗУ Внешние ЗУ по позиционированию запоминающей среды делятся на

устройства с подвижной и неподвижной запоминающей средой.

По позиционированию записывающего и считывающего органа различают ВЗУ с подвижной головкой и сканирующим потоком энергии записи / считывания.

По типу запоминающей среды ВЗУ различаются накопители с магнитной, оптической и магнитно-оптической записью.

По возможности многократной записи различают ВЗУ нереверсивные и реверсивные.

По параметрам модуляции отпечатков на запоминающем материале

4

различают ВЗУ с фиксацией энергии воздействия и с фиксацией амплитуды и фазы воздействия.

Позиционирование запоминающей среды может быть линейным,

когда запоминающая среда представляет собой ленту, или круговым, когда запоминающая среда расположена на поверхности вращающегося диска.

Запоминающая среда является неподвижной в конструкциях ВЗУ со сканирующим лучом записи или считывания. В устройствах ВЗУ размеры сканируемой поверхности ограничены единицами квадратных сантиметров.

В ВЗУ с позиционированием головки преимущественно применяется вращательное движение магнитной или оптической запоминающей среды и

«линейное» движение головки. Такие ВЗУ относятся, соответственно, к

магнитным дисковым ВЗУ, оптическим и магнитно-оптическим ВЗУ. В

дисковых ВЗУ с модуляцией отпечатков на запоминающем материале с фиксацией амплитуды и фазы воздействия применяется неподвижная запоминающая среда и сканирующий луч монохроматического излучения.

Эти устройства отнесены к оптическим голографическим ВЗУ. Они длительное время находятся на стадии становления. Устройства ЗУ с запоминающей средой на эластичной ленте уступили место дисковым устройствам позиционирования в компактных МПС. В устройствах массового архивирования информации ленточные устройства не вышли из применения.

П.2. Внешние ЗУ на магнитном носителе

Большая информационная емкость и малая стоимость хранения бита информации являются преимуществами ЗУ с записью на магнитный носитель. Недостатком таких ЗУ является большое время поиска информации и часто недостаточная надежность устройств за счет наличия транспортных механизмов и износа, как их узлов, так и поверхностей головки и носителя. В ВЗУ на магнитных носителях любого типа процессы записи, хранения и считывания информации основаны на одних и тех же принципах. Запись и считывание производятся с помощью магнитных

5

головок. В качестве запоминающей среды в устройствах магнитной записи используются порошковые и гальванические плёночные покрытия,

нанесенные на немагнитную среду - диск подложку. Магнитные диски и барабаны покрываются ферролаком толщиной 5-20 мкм или металлическими покрытиями толщиной от 0,01 до 1 мкм на основе никеля, кобальта,

вольфрама, наносимыми гальваническим способом.

Внутреннее магнитное поле намагниченных ферромагнетиков в (102- 104) раз превосходит вызвавшее их внешнее магнитное поле. В структуре ферромагнетиков имеются намагниченные до насыщения за счет сильных внутримолекулярных полей области, называемые доменами. Линейные размеры доменов не превышают сотых долей миллиметра. В переходном слое между доменами, намагниченными в разных направлениях, имеется неоднородность намагниченности. Эти слои называются доменными стенками, границами доменов. Важной характеристикой ферромагнетиков является зависимость индукции B от напряжённости магнитного поля H

(кривая намагничивания B=B(H)). Процесс намагничивания под действием внешнего намагничивающего поля характеризуется индукцией насыщения

Вs и величинjой остаточной индукции Вr. В магнитных материалах c

прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) индукция насыщения Вs сравнима с остаточной индукцией Вr (Вr/Вs≥0,9) . Для размагничивания сердечника необходимо приложить обратное поле величиной напряженности не менее

Нс, называемой коэрцитивной силой.

Площадь петли гистерезиса Рh пропорциональна работе перемагничивания по кривой намагничивания. По величине Нс

ферромагнетики подразделяются на мягкие, у которых Hc (1-10) эрстед и жесткие при Hc порядка (102 - 103) эрстед. Материал магнитного покрытия

(носитель на подложке) должен иметь достаточную коэрцитивную силу для исключения возможности стирания информации под воздействием внешних полей, включая поле смещённой в пространстве магнитной записывающей головки.

6

Магнитная головка (МГ) схематично, показанная на рисунке П.2,

выполняется из магнитомягкого материала с малой Нс и большим отношением Вs/Вr. В отсутствии тока в ее обмотке МГ не должна создавать поля, влияющего на намагниченность покрытия. Сердечники МГ изготавливаются из железоникелевых сплавов в виде холоднокатаных лент толщиной менее 0,02 мм с целью снизить в них потери от вихревых токов.

Рисунок П.2 - Схема взаимодействия полей МГ и магнитной плёнки

Величина зазора между полюсами сердечника МГ определяет

величину магнитного отпечатка, а следовательно, плотность записи информации, скорость продвижения носителя и быстродействие ВЗУ.

Оптимальное значение опт для выбранных параметров магнитного носителя определяется по формуле

опт~ВrТн/(2πНс),

где Тн - толщина магнитного слоя носителя.

Применение материала о большой коэрцитивной силой и ППГ, дает

возможность уменьшить зазор в сердечнике МГ и повысить плотность записи информации. Величина считываемого сигнала пропорциональна скорости продвижения носителя относительно МГ и пропорциональна величинам параметров магнитного носителя

Eс ~ (Вr·Нс·Тн)0,5.

7

В зависимости от направления вектора намагниченности отпечатков в рабочем слое магнитного носителя (МН) по отношению к направлению вектора скорости V перемещения МН различают продольную, поперечную и вертикальную намагниченности (см. рисунок П.3)

Рисунок П.3 - Варианты следов намагничивания МН относительно V

Для записи информации на МН с ППГ могут использоваться устойчивые состояния положительного, отрицательного насыщения и полностью размагниченного состояния. По способу использования этих состояний запись может осуществляться на предварительно размагниченный носитель или на носитель в насыщенном состоянии. В зависимости от характера используемых при записи сигналов различают импульсные и потенциальные методы записи.

В импульсных методах ток в обмотке записывающей головки меняется дважды за такт записи, то есть за интервал времени, отведенный для записи одного двоичного знака. При потенциальном методе ток изменяется один раз в начале такта или вообще не изменяется на протяжении всего такта. В

импульсном методе записи на размагниченный носитель используются три состояния намагниченности носителя. Поэтому метод получил название метода записи по трем уровням или метода записи с возвращением к нулю.

Для записи «0» и «1» в обмотку МГ подаются импульсы тока Iзап(t), разной полярности, создающие насыщение МН в одном или другом направлении Вs, -Вs. При этом способе записи ток в записывающей МГ в начале и конце такта записи равен нулю, вследствие чего в промежутках между намагниченными участками МН находится в размагниченном состоянии. Достоинство этого метода записи информации состоит в том, что нет необходимости выделять специальную дорожку для записи синхросигнала СС. Недостаток этого

8

метода состоит в том, что оказывается меньшей плотность записи, чем при использовании других методов и необходимость размагничивать носитель перед записью.

При потенциальном методе записи информации с инверсией без возвращения к нулю (БВНИ) стирание информации не применяется, а в МГ посылается ток записи того или иного направления, достаточный по амплитуде для создания такого магнитного поля, которое изменит направление намагничивания слоя под головкой из одного состояния намагниченности в другое. Переключение направления тока записи на противоположное осуществляется только тогда, когда нужно записать «1».

Если очередной разряд содержит «0», то не происходит изменения направления тока записи. Для выделения считанного кода применяется синхронизация, подобная той, какая используется в методе с возвращением к нулю. Частота переключения магнитных состояний в этом случае меньше,

чем в предыдущем методе, что позволяет получить большую плотность записи.

Разновидностью метода БВНИ является методы частотной модуляции

(FM - Frequvency Modulation) и модифицированной частотной модуляции

(MFM - Мodify Frequvency Modulation). В них применяются коды с самосинхронизацией, которые характеризуются совместной записью импульсов данных и синхронизации (синхросмесь).

Кодирование FM характеризуется записью бита синхронизации в начале каждого битового элемента. Бит данных записывается в середине битового элемента. По методу МFM битовый интервал сокращается вдвое что позволяет вдвое увеличить продольную плотность записи за счет уменьшения числа записываемых импульсов синхронизации. При записи «1»

имеет место изменение фазы магнитного потока в середине битового интервала, а при записи «0» это изменение отсутствует. Импульсы синхронизации записываются в начале битового элемента, если в предыдущем элементе был записан «0» и текущему битовому элементу также

9

соответствует «0». Импульс синхронизации при МFM записывается только тогда, когда два бита подряд имеют нулевое значение. Так как бит синхронизации содержится не в каждом битовом элементе, то необходимо непрерывно анализировать поток данных, чтобы временные окна оставались в синхронизме с соответствующими битами данных. Эти функции реализуются с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Метод МFM надежен, не требует больших затрат для своей реализации, но обладает избыточностью. Так для хранения битов синхронизации должна отводиться часть поверхности, чем сокращается емкость МН. Метод МFM

позволяет записывать от одного до трех бит данных на один переход намагниченности.

Более эффективным является метод кодирования с ограничением расстояния между переходами намагниченности (RLL кодирование). В этом методе также требуются биты синхронизации, но их число меньше, чем при

МFM кодировании. Объем хранимой на диске информации в среднем повышается на 50%. При RLL кодировании регламентируется расстояние между соседними участками с разным направлением намагниченности магнитного слоя диска. На методе RLL основана записи с групповым кодированием. Каждый байт поступающих данных разделяется на две тетрады, а каждая тетрада кодируется специальным 5-разрядным кодом,

характеризующимся тем, что каждое число в нем содержит, по меньшей мере, одну перемену направления потока. При считывании две 5-разрядные кодовые группы переводятся обратно в тетрады и склеиваются в байты.

Особенность 5-разрядного группового кода состоит в том, что в любом его числе не должно быть более двух стоящих рядом «0».

П.3 Структура формата магнитных дисков

Для работы с «чистыми» дисками следует выполнить их форматирование (разбиение) рабочей поверхности диска на фрагменты

(дорожки, секторы) и записать служебную информацию. В диске предусматривается четыре измерения:

10

-сторона диска или номер пластина диска, вертикальное измерение,

-дорожка или цилиндр, радиальное измерение,

-сектор внутри дорожки, измерение по окружности,

-количество данных в секторе.

Основной операционной единицей диска является сектор. Все операции «запись/воспроизведение» используют порции данных, кратные сектору. Программа должна находить и идентифицировать каждый сектор,

пользуясь всеми четырьмя измерениями.

Структура формата записи на диск зависит от типа управляющего устройства накопителя. Формат предусматривает байты синхронизации,

указывающие на начало каждого сектора, идентификационные заголовки ID,

состояние из номера сектора и цилиндра (при наличии), а также байты циклического контроля и служебной информации.

П.4 Накопители на жёстких магнитных дисках

Магнитные ВЗУ широко применяются в качестве устройств хранения системного и прикладного программного обеспечения современных процессорных комплексов. Для этих целей конструкции устройств с МН исполняются, как накопители на жёстких магнитных дисках (НЖМД).

Емкость современных НЖМД составляет десятки и сотни Гб. Важным показателем накопителя НЖМД является время доступа tд, необходимое для того, чтобы начать обмен данными после получения запроса от электронных средств процессорного комплекса. Оно определяется временем позиционирования МГ на дорожку (tпоз) и время подхода к нужному сектору

(tож)

tд ≥ tпоз+ tож,

и составляет 5-20 мс.

Показателем быстродействия накопителя скорость передачи данных V

бит/сек. Она определяется методом кодирования (FM, MFM, RLL) и

используемым интерфейсом. Максимальная скорость считывания данных из накопителя определяется выражением